El equilibrado y la redistribución de la batería se refieren a técnicas que mejoran la capacidad disponible de un paquete de baterías con múltiples celdas (generalmente en serie) y aumentan la longevidad de cada celda. [1] Un equilibrador de batería o regulador de batería es un dispositivo eléctrico en un paquete de baterías que realiza el equilibrado de la batería. [2] Los equilibradores se encuentran a menudo en paquetes de baterías de iones de litio para computadoras portátiles, vehículos eléctricos, etc.
Las celdas individuales de un paquete de baterías tienen naturalmente capacidades algo diferentes y, por lo tanto, a lo largo de los ciclos de carga y descarga, pueden encontrarse en un estado de carga (SOC) diferente. Las variaciones en la capacidad se deben a variaciones en la fabricación, variaciones en el ensamblaje (por ejemplo, celdas de una serie de producción mezcladas con otras), envejecimiento de las celdas, impurezas o exposición ambiental (por ejemplo, algunas celdas pueden estar sujetas a calor adicional de fuentes cercanas como motores, componentes electrónicos, etc.), y pueden verse exacerbadas por el efecto acumulativo de cargas parásitas, como los circuitos de monitoreo de celdas que a menudo se encuentran en un sistema de administración de baterías (BMS).
El equilibrio de un paquete de varias celdas ayuda a maximizar la capacidad y la vida útil del paquete al trabajar para mantener un estado de carga equivalente de cada celda, en la medida de lo posible dadas sus diferentes capacidades, en el rango más amplio posible. El equilibrio solo es necesario para paquetes que contienen más de una celda en serie. Las celdas en paralelo se equilibrarán naturalmente ya que están conectadas directamente entre sí, pero los grupos de celdas conectadas en paralelo, conectadas en serie (cableado paralelo-serie) deben equilibrarse entre los grupos de celdas.
Para evitar condiciones indeseables y a menudo inseguras, el sistema de gestión de la batería debe monitorear el estado de las celdas individuales para conocer características operativas como temperatura, voltaje y, a veces, corriente consumida, aunque esta última a menudo solo se mide por paquete en lugar de por celda, tal vez con protección única a nivel de celda contra corriente anormalmente alta (como en un cortocircuito u otra condición de falla).
En condiciones normales de funcionamiento, la descarga debe detenerse cuando una celda se queda sin carga, aunque otras celdas aún puedan tener una carga significativa. Asimismo, la carga debe detenerse cuando una celda alcanza su voltaje de carga máximo seguro. De lo contrario, se pueden producir daños permanentes en las celdas o, en casos extremos, puede provocar que las celdas inviertan su polaridad, generen gases internos, se produzcan fugas térmicas u otras fallas catastróficas. Si las celdas no están equilibradas, de modo que el límite superior e inferior estén al menos alineados con el estado de la celda de menor capacidad, la energía que se puede extraer y devolver a la batería será limitada.
Debido a que las químicas del litio a menudo permiten estructuras de membrana flexibles, las celdas de litio se pueden instalar en bolsas flexibles aunque selladas, lo que permite densidades de empaquetamiento más altas dentro de un paquete de baterías. Cuando una celda de litio se maltrata, algunos de los productos de descomposición (generalmente de los químicos o aditivos del electrolito) se desgasifican. Estas celdas se "inflarán" y estarán muy cerca de fallar. En las baterías de iones de litio selladas de formato cilíndrico, la misma desgasificación ha causado presiones bastante altas (se ha informado de más de 800 psi [ cita requerida ] ); estas celdas pueden explotar si no se les proporciona un mecanismo de alivio de presión. El peligro se agrava porque muchas químicas de celdas de litio incluyen químicos de hidrocarburos [ cita requerida ] (cuya naturaleza exacta suele ser patentada), y estos son inflamables. Por lo tanto, además del riesgo de que el maltrato de la celda pueda causar una explosión, una simple fuga no explosiva puede causar un incendio.
La mayoría de las sustancias químicas de las baterías tienen modos de falla menos dramáticos y menos peligrosos. Los químicos en la mayoría de las baterías suelen ser tóxicos hasta cierto punto, pero rara vez son explosivos o inflamables [ cita requerida ] ; muchos son corrosivos, lo que explica el consejo de evitar dejar las baterías dentro del equipo durante períodos prolongados, ya que las baterías pueden tener fugas y dañar el equipo. Las baterías de plomo-ácido son una excepción, ya que al cargarlas se genera gas hidrógeno, que puede explotar si se expone a una fuente de ignición (por ejemplo, un cigarrillo encendido) y tal explosión rociará ácido sulfúrico en todas direcciones. Dado que esto es corrosivo y potencialmente cegador, esto es un peligro particular.
El equilibrio puede ser activo o pasivo . [3] El término regulador de batería generalmente se refiere únicamente a dispositivos que realizan equilibrio pasivo.
Un BMS completo puede incluir balanceo activo, así como monitoreo de temperatura, carga y otras funciones para maximizar la vida útil de una batería. [4]
El equilibrado de la batería se puede realizar mediante convertidores CC-CC , en una de tres topologías:
Normalmente, la potencia manejada por cada convertidor CC-CC es unos órdenes de magnitud menor que la potencia manejada por el paquete de baterías en su conjunto.
En el equilibrio pasivo, la energía se extrae de la celda más cargada y se disipa en forma de calor, generalmente a través de resistencias .
El balanceo pasivo iguala el estado de carga en un punto fijo, generalmente "equilibrado superior", con todas las celdas alcanzando el 100 % del estado de carga al mismo tiempo; o "equilibrado inferior", con todas las celdas alcanzando el estado de carga mínimo al mismo tiempo. Esto se puede lograr extrayendo energía de las celdas con un estado de carga más alto (por ejemplo, un cortocircuito controlado a través de una resistencia o transistor), o desviando energía a través de una ruta en paralelo con una celda durante el ciclo de carga para que la celda consuma menos corriente (normalmente constante regulada). El balanceo pasivo es inherentemente derrochador, ya que parte de la energía del paquete se gasta en forma de calor con el fin de igualar el estado de carga entre celdas. La acumulación de calor residual también puede limitar la velocidad a la que puede ocurrir el balanceo.
En el equilibrio activo, la energía se extrae de la celda más cargada y se transfiere a las celdas menos cargadas, generalmente a través de convertidores basados en condensadores, inductores o CC-CC . [5]
El equilibrio activo intenta redistribuir la energía de las celdas con carga completa a aquellas con un estado de carga más bajo. Se puede extraer energía de una celda con un estado de carga más alto conectando un condensador de reserva en el circuito con la celda, luego desconectando el condensador y volviéndolo a conectar a una celda con un estado de carga más bajo, o a través de un convertidor de CC a CC conectado a todo el paquete. Debido a las ineficiencias, algo de energía aún se desperdicia en forma de calor, pero no en el mismo grado. A pesar de las ventajas obvias, el costo adicional y la complejidad de una topología de equilibrio activo pueden ser sustanciales y no siempre tienen sentido según la aplicación.
Otra variante que se utiliza a veces en los paquetes de baterías de bicicletas eléctricas utiliza un conector de múltiples pines con una resistencia y un diodo en serie en cada nodo: como se conocen las caídas, el cargador aplica una corriente de descarga adecuada o carga las celdas débiles hasta que todas tengan la misma lectura de voltaje terminal cargado. Esto tiene la ventaja de reducir ligeramente el peso del paquete y disminuir el consumo parásito, además de permitir el equilibrio en varios puntos.
